抽油机井远程监测系统的研究

论文摘要

抽油机采油是目前石油开采过程中最重要的环节之一,抽油机井的运行状况直接影响到油田的产油量,分析示功图是判断抽油机井工况的基本方法。现有的示功图直接测量方法存在传感器损坏频繁、工序复杂等不足,因此改进示功图测量方法和对油井工况进行实时远程监控成为油田生产自动化领域的重要课题。本文在对游梁式抽油机各构件进行运动分析及受力分析的基础上,建立了抽油机的运动模型和动力学模型,进行了详细的计算分析,提出了通过电机扭矩计算抽油机悬点载荷和通过检测曲柄旋转角信号来获取悬点载荷与悬点位移对应关系的油井示功图间接测量新方法。本文从交流电机的数学模型入手,针对异步电动机和永磁同步电动机分别推导了静止两相直角坐标系下转矩、转速、功率、功率因数和效率等运行参数与定子线电压、线电流的关系式,分析了定子磁链的估算方法,提出了示功图结合电机的电压、电流、功率、转速、效率等运行参数的改进的油井工况分析方法。鉴于油井数量众多,野外分布广阔的特点,本文从先进性、实用性、经济性等多方面综合考虑,提出了基于ARM单片机和SIM300C GPRS模块的抽油机井远程监测系统设计方案,完成了系统的硬件设计,包括:电源电路、复位和看门狗电路、信号整形和调理电路、频率检测电路、数据存储电路、串口通信电路、日历时钟电路和SIM300C模块电路等;利用LPC2378的C语言程序设计实现了监测终端的软件设计与调试;利用Visual C++语言程序设计实现了监测中心的软件设计与调试;最后通过大港油田现场试验表明,间接测量的示功图与直接测量的示功图吻合,本文提出的油井工况分析方法能很好地反映抽油机井的运行状况,并且由于现场只需要安装电压、电流传感器和上下死点接近开关,安装维护过程简单,系统能够经受野外恶劣条件的考验,实现了对抽油井的实时动态监测。本文所做的研究工作,为油井工况的分析提供了一定的理论参考依据,为工程应用奠定了基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 示功图的测量方法研究
• 1.2.2 交流电机的在线监测技术研究
• 1.2.3 存在问题
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 论文的主要内容
• 2 游梁式抽油机工作特性研究
• 2.1 有杆抽油系统的组成及工作原理
• 2.2 游梁式抽油机的运动分析
• 2.2.1 几何模型
• 2.2.2 悬点位移数学模型
• 2.3 游梁式抽油机的动力学分析
• 2.4 曲柄运动规律
• 2.5 示功图的绘制
• 2.6 本章小结
• 3 油井抽油电机参数在线监测原理
• 3.1 抽油电机类型
• 3.2 抽油电机负载特性
• 3.3 抽油电机运行状态分析
• 3.4 异步电动机在线监测原理
• 3.4.1 异步电动机的数学模型
• 3.4.2 异步电动机的运行参数估算
• 3.5 永磁同步电动机在线监测原理
• 3.5.1 永磁同步电动机数学模型
• 3.5.2 永磁同步电动机的运行参数估算
• 3.6 本章小结
• 4 远程监测系统通信方案设计
• 4.1 常用无线通信方式比较
• 4.2 无线通信方式选择
• 4.3 GSM 应用方案
• 4.4 通信设备选取
• 4.4.1 监测终端通信设备
• 4.4.2 监测中心通信设备
• 4.5 本章小结
• 5 抽油机井监测系统的硬件设计
• 5.1 控制芯片概述
• 5.2 监测系统概述
• 5.3 功能模块硬件设计
• 5.3.1 电源电路
• 5.3.2 复位和看门狗电路
• 5.3.3 电压和电流信号整形和处理电路
• 5.3.4 频率检测电路
• 5.3.5 接近开关脉冲信号捕获电路
• 5.3.6 数据存储电路
• 5.3.7 串行通信电路
• 5.3.8 日历时钟电路
• 5.4 无线通信模块的硬件设计
• 5.4.1 电源电路
• 5.4.2 模块开关机电路
• 5.4.3 数据通信电路
• 5.4.4 网络状态指示灯电路
• 5.4.5 SIM 卡电路
• 5.5 硬件可靠性和安全性
• 5.6 本章小结
• 6 抽油机井监测系统的软件设计
• 6.1 监测终端软件设计
• 6.1.1 SIM300C 模块AT 指令
• 6.1.2 无线通信模块程序设计
• 6.1.3 电机参数采集程序
• 6.2 监测中心软件设计
• 6.2.1 电机参数监测软件
• 6.2.2 抽油机载荷、示功图及工况分析软件
• 6.3 本章小结
• 7 现场试验分析
• 7.1 监测系统设备安装
• 7.2 SMS 数据传输测试
• 7.3 实验结果
• 7.4 本章小结
• 8 总结和展望
• 8.1 总结
• 8.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 系统实物图
• C. 实验所用抽油机和电机技术参数